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        一種小型滾針圓度測(cè)量?jī)x

        2014-07-22 05:28:44李利歌李副來(lái)熊子健李國(guó)斌馬德鋒
        軸承 2014年7期
        關(guān)鍵詞:滾針圓度主軸

        李利歌,李副來(lái),熊子健,李國(guó)斌,馬德鋒

        (洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司,河南 洛陽(yáng) 471039)

        圓度儀是測(cè)量軸、孔或類(lèi)似零件的圓度、表面波紋度和同軸度的重要儀器。隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展,圓度儀的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,如軸承生產(chǎn)企業(yè)要求在每臺(tái)加工滾針的機(jī)床邊放置小型圓度儀,用于測(cè)量滾針圓度,以確定機(jī)床的調(diào)節(jié)是否滿足要求,故需要大量?jī)r(jià)格低廉且操作方便的小型圓度儀。

        目前我國(guó)使用的圓度儀存在以下問(wèn)題:(1)體積大,操作復(fù)雜,除了機(jī)械主體外還有計(jì)算機(jī),不利于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的使用,僅適合放置于檢查間進(jìn)行抽檢;(2)電氣部分采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理,成本較高。因此,設(shè)計(jì)了一種小型滾針圓度測(cè)量?jī)x。

        1 原理

        將被測(cè)工件放在與精密主軸軸線相垂直的工作臺(tái)上,傳感器測(cè)頭不轉(zhuǎn),調(diào)整工件的中心,使其與旋轉(zhuǎn)的精密主軸中心重合并隨之旋轉(zhuǎn),調(diào)整傳感器測(cè)頭接觸工件,傳感器在測(cè)量平面內(nèi)測(cè)量工件的半徑變化[1]。圓度儀機(jī)械部分結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

        1—精密驅(qū)動(dòng)器;2—x軸精密導(dǎo)軌;3—y軸組件;4—傳感器;5—高精度夾盤(pán);6—工作盤(pán);7—電動(dòng)機(jī);8—聯(lián)軸節(jié);9—空氣軸;10—機(jī)座圖1 圓度儀機(jī)械部分結(jié)構(gòu)原理

        圓度儀電氣系統(tǒng)原理如圖2所示。采用基于單片機(jī)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),系統(tǒng)將傳感器測(cè)量的工件輪廓變化信號(hào)經(jīng)放大、檢波、濾波后傳送到單片機(jī),以單片機(jī)為核心進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,根據(jù)圓度評(píng)定方法及相應(yīng)的濾波算法得出偏心量和幾個(gè)波段的圓度值,并將數(shù)據(jù)傳送到電箱的液晶顯示器上。該設(shè)計(jì)采用AD698芯片處理電感傳感器輸出的信號(hào),再將此信號(hào)送入c8051f單片機(jī)內(nèi)部集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,單片機(jī)根據(jù)圓度評(píng)定算法進(jìn)行計(jì)算,并將結(jié)果顯示于液晶屏上,最終結(jié)果通過(guò)儀器上的RS232或RS232轉(zhuǎn)RS485串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī),而且可根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)SPC功能。

        圖2 圓度儀電氣系統(tǒng)原理

        采用最小二乘圓法進(jìn)行圓度評(píng)定,原理如圖3所示。

        圖3 最小二乘圓法原理

        L曲線為測(cè)量零件的實(shí)際輪廓,其平均圓中心為Οc(xc,yc),平均圓半徑為R0,基準(zhǔn)回轉(zhuǎn)軸線中心為O,Oc與O間的距離為偏心量e,對(duì)于L上的任一點(diǎn)P有

        Ri=ecos(θi-α)+{(R0+Hi)2-[e·

        sin(θi-α)]2}1/2,

        式中:Ri為P點(diǎn)到基準(zhǔn)回轉(zhuǎn)軸線中心的距離;θi為P點(diǎn)的極角(以測(cè)量起點(diǎn)作為極坐標(biāo)相對(duì)零點(diǎn));α為平均圓中心相對(duì)基準(zhǔn)回轉(zhuǎn)軸線中心的偏心角(以測(cè)量起點(diǎn)作為極坐標(biāo)相對(duì)零點(diǎn));Hi為P點(diǎn)在R方向上相對(duì)平均圓(最小二乘圓)的偏差。

        測(cè)量時(shí),e<<(R0+Hi),則{(R0+Hi)2-[esin(θi-α)]2}1/2≈R0+Hi,所以Ri≈e·

        cos(θi-α)+R0+Hi,則Hi=Ri-R0-e·

        cos(θi-α)。

        2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及操作方法

        圓度儀電氣部分硬件主要包含電感傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)采集及數(shù)據(jù)處理的微處理器、信號(hào)接口電路。傳感器采用差動(dòng)電感式旁向傳感器[3]。信號(hào)調(diào)理電路采用專(zhuān)用的差動(dòng)電感器集成芯片,將所需的電路功能集中在1塊芯片上,只要增加幾個(gè)外接無(wú)源元件來(lái)設(shè)置頻率和增益,就能將機(jī)械位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成單極性或雙極性輸出的高精度直流電壓信號(hào)。信號(hào)采集及數(shù)據(jù)處理的微處理器采用c8051f系列單片機(jī),使用其芯片中集成的16位A/D,該系統(tǒng)擴(kuò)展了64K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間,采用C語(yǔ)言編程,程序流程如圖4所示。根據(jù)Hall采樣信號(hào)定時(shí)采集信號(hào)并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,根據(jù)軸承零件的圓度和表面波紋度誤差測(cè)量及評(píng)定方法,該圓度儀濾波檔分為2~9,10~30,31~512和2~512 upr,采用2階Butterworth數(shù)字濾波器,濾波器通頻帶衰減3 dB[4]。信號(hào)接口電路主要用于將測(cè)量后的數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)和液晶顯示器,用c8051f系列單片機(jī)芯片中集成的UART串行端口與顯示屏及上位機(jī)進(jìn)行串口通信,采用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換,根據(jù)此芯片應(yīng)用接法接入合適電阻與電容即可。顯示器采用TFT真彩屏,集成了控制電路及顯示電路。

        圖4 程序流程

        測(cè)量工件時(shí)的調(diào)整步驟為:(1)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)精密卡盤(pán),放入工件后再順時(shí)針旋轉(zhuǎn),保證卡盤(pán)卡正、緊固工件;(2)轉(zhuǎn)動(dòng)水平方向(y方向)千分筒,目測(cè)傳感器測(cè)頭過(guò)工件中心,再轉(zhuǎn)動(dòng)水平方向(x方向)千分筒,同時(shí)觀察顯示屏中的測(cè)值,該測(cè)值為當(dāng)前傳感器的值,不是圓度測(cè)量結(jié)果,測(cè)值10~30 μm為最佳測(cè)量狀態(tài)。同時(shí)可根據(jù)工件長(zhǎng)度調(diào)整垂直方向(z方向)千分筒,選擇合適的測(cè)量高度,調(diào)整結(jié)束后方可測(cè)量。

        圓度儀外觀如圖5所示。面板上的“開(kāi)關(guān)”鍵是儀器電源總開(kāi)關(guān);“電動(dòng)機(jī)”鍵是在“調(diào)試”鍵按下的情況下控制電動(dòng)機(jī)啟停,此鍵只在調(diào)試同心度階段使用;“調(diào)試”鍵未按下的情況下(即調(diào)試結(jié)束后)在工件裝卡完后按下“測(cè)量”鍵進(jìn)行測(cè)量,其中電動(dòng)機(jī)啟停由程序自動(dòng)控制;“調(diào)試”鍵僅需在儀器調(diào)試同心度階段按下。開(kāi)機(jī)屏幕顯示歡迎界面,2 s后自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到測(cè)量結(jié)果界面(即在未按下“測(cè)量”鍵之前)并顯示當(dāng)前傳感器的數(shù)據(jù),測(cè)量完成后可顯示偏心量、4個(gè)波段的圓度值、輪廓的圖形及當(dāng)前傳感器的數(shù)據(jù)。

        圖5 圓度儀外觀

        3 應(yīng)用結(jié)果及分析

        圓度儀的主軸轉(zhuǎn)速為9 r/min,使機(jī)械主軸不轉(zhuǎn)動(dòng),并將傳感器觸頭置于機(jī)械殼體上某點(diǎn)測(cè)量,僅分析電氣裝置的精度,20次重復(fù)測(cè)量全波段,結(jié)果顯示:16次為0.03 μm,3次為0.02 μm,1次為0.04 μm,可滿足精度要求。

        打開(kāi)圓度儀的氣源,調(diào)節(jié)壓力至0.45 MPa以上,測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)玻璃半球,主軸精度為0.05 μm,20次重復(fù)測(cè)量全波段,結(jié)果顯示:13次為0.08 μm,4次為0.09 μm,2次為0.07 μm,1次為0.10 μm,可滿足精度要求。

        將圓度儀用于測(cè)量圓度標(biāo)稱值為0.98 μm的滾針,該圓度儀主軸精度為0.05 μm,圓度測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知,圓度與其標(biāo)稱值誤差在0.05 μm內(nèi)。

        表1 圓度測(cè)量結(jié)果 μm

        4 結(jié)束語(yǔ)

        該圓度儀不但體積小、成本低、操作簡(jiǎn)單,而且測(cè)量精度高、抗干擾性強(qiáng)、可靠性高,可廣泛用于軸、孔或類(lèi)似零件的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室等。

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